免费在线欧阳史创编 2023..02.10 欧阳史创编 2023..02.10欧阳史创编 2023..02.10 欧阳史创编 电 电解水制氢的原理 时间：2023.02.10 创作：欧阳史 字体大小： 字体大小：大 - 中 - 小 SBEPL 发表于 09-06-03 06:37 06:37 阅读(1274) 评论(0) 日志 复制网址隐蔽签名档大字体 其次节 电解水制氢的原理一、氢气的工业制法 在工业上通常承受如下几种方法制取氢气：一是将水蒸气通过灼热的焦炭〔称为碳复原法〕，得到纯度为75%左右的氢气；二是将水蒸气通过灼热的铁，得到纯度在 97%以下的氢气；三是由水煤气中提取氢气，得到的氢气纯度也较低；第四种方法就是电解水法，制得的氢气纯度可高达 99%以上，这是工业上 制备氢气的一种重要方法。在电解氢氧化钠〔钾〕溶液时，阳极上放出氧气，阴极上放出氢气。电解氯化钠水溶液制造氢氧化钠时，也可得到氢气。 对用于冷却发电机的氢气的纯度要求比较高，因此，都是承受电解水的方法制得。二、电解水制氢原理 所谓电解就是借助直流电的作用，将溶解在水中的电解质分解成物质的过程。 1、电解水原理 在一些电解质水溶液中通入直流电时，分解出的物质与原来的电解质绝对没关系，被分解的是作为溶剂的水，原来的电解质仍旧留在水中。例如硫酸、氢氧化钠、氢氧化钾等均属于这类电解质。 在电解水时，由于纯水的电离度很小，导电力量低，属于典型的弱电解质，所以要参加前述电解质，以增加溶液的导电力量，使水能够顺当地电解成为氢气和氧气。 氢氧化钾等电解质不会被电解，现以氢氧化钾为例说明： 〔1〕氢氧化钾是强电解质，溶于水后即发生如下电离过程： 于是，水溶液中就产生了大量的 K+和 OH-。 〔2〕金属离子在水溶液中的活泼性不同，可按活泼性大小挨次排列如下： K＞Na＞Mg＞Al＞Mn＞Zn＞Fe＞Ni＞Sn＞Pb＞H＞Cu＞Hg＞Ag＞Au 在上面的排列中，前面的金属比后面的活泼。 成原子。H+的电极电位 成原子。H+的电极电位 =-1.71V，而 K+的电极电位 =-2.66V，所以，在水溶液中同时存在 H+和 K+时，H+将在阴极上首先得到电子而变成氢气，而 K+则仍将留在溶液中。 水是一种弱电解质，难以电离。而当水中溶有 KOH 时，在电离的 K+四周则围围着极性的水分子而成为水合钾离子，而且因 K+的作用使水分子有了极性方向。在直流电作用下，K+带着有极性方向的水分子一同迁向阴极，这时 H+就会首先得到电子而成为氢气。 2、水的电解方程 在直流电作用于氢氧化钾水溶液时，在阴极和阳极上分别发生以下放电反响，见图 8-3。 图 8-3 碱性水溶液的电解 阴极反响。电解液中的 H+〔水电离后产生的〕受阴极的吸引而移向阴极，承受电子而析出氢气，其放电反响为： 阳极反响。电解液中的 OH-受阳极的吸引而移向阳极，最终放出电子而成为水和氧气，其放电反响为： 阴阳极合起来的总反响式为： 电解 所以，在以 KOH 为电解质的电解过程中，其实就是水被电解，产生氢气和氧气，而 KOH 只起运载电荷 的作用。 三、电解电压 在电解水时，加在电解池上的直流电压必需大于水的理论分解电压，以便能抑制电解池中的各种电阻电压降和电极极化电动势。电极极化电动势是阴极氢析出时的超电位与阳极氧极出时的超电位之和。因此，水电解电压 U 可表示为： 式中 U0——水的理论分解电压，V； I——电解电流，A； ——氢超电位，V；R—— ——氢超电位，V； ——氧超电位， ——氧超电位，V。 式中——标准状态下电池反响的吉布斯自由能变，J/mol；〔1〕水的理论分解电压 UO 式中 ——标准状态下电池反响的吉布斯自由能变，J/mol； n——反响中的电子转移数； F——法拉第常数，96500C/mol； E0——标准状态下反响的标准电动势，V。 2H2〔g〕 2H2〔g〕+O2〔g〕=2H2O (1) 这是一个氧化复原反响，在两个电极上的半反响分别为： O2+4H++4e=2H2O 2H2=4H++4e 电子转移数 n=4，由 =-NFE0 得 -474.4×103=--4×96500E0 可见，在 0.1MPa 和 25℃时，U0=1.23V；它是水电解时必需供给的最小电压，它随温度的上升而降低， 随压力的上升而增大，压力每上升 10 倍，电压约增大 43mV. 〔2〕氢、氧超电位和。影响氢、氧超电位的因素很多。首先，电极材料和电极的外表状态对它的影响较大，如铁、镍的氢超电位就比铅、锌、汞等低，铁、镍的氧超电位也比铅低。与电解液接触面积 〔2〕氢、氧超电位 和 。影响氢、氧超电位的因素很多。首先，电极材料和电极的外表状态对它 为降低氢、氧超电位，可以实行一些方法。如提升工作温度及承受适宜的电极材料等。此外，适当增大电极的实际外表积或使电极外表粗糙，都可在不同程度上降低电极电阻和超电位，从而到达降低工作电压的目的。 电阻电压降。电解池中的总电阻包括电解液的电阻、隔膜电阻、电极电阻和接触电阻等，其中前两者为主要因素。隔膜电阻电压降取决于材料的厚度和性质。承受一般的石棉隔膜，电流密度为 2400A/m2 时，隔膜电阻上的电压降约为 0.25~0.30V，当电流密度再增大时，该电压降还会增大到 0.5V 左右。电解液的导电率越高，电解液中的电压降就越小。对电解液来说，除要求其电阻值小以外，还要求它在电解电压下不分解；不因挥发而与氢、氧一并逸出；对电解池材料无腐蚀性；当溶液的 pH 值变化时，应具有肯定的缓冲性能。 多数的电解质在电解时易分解，不宜在电解水时承受。硫酸在阳极生成过硫酸和臭氧，腐蚀性很强，不宜承受。而强碱能满足以上要求，所以工业上一般都以 KOH 或 NaOH 水溶液作为电解液。KOH 的导电性能比 NaOH 好，但价格较贵，在较高温度时，对电解池的腐蚀作用亦较 NaOH 的强。过去我国常承受NaOH 作电解质，但是，鉴于目前电解槽的材料已经能抗 KOH 的腐蚀，所以，为节约电能，已经普遍趋向承受 KOH 溶液作为电解液。 此外，在电解水的过程中，电解液中会含有连续析出的氢、氧气泡，使电解液的电阻增大。电解液中的马泡容积与包括气泡的电解液容积的百分比称作电解液的含气度。含气度与电解时的电流密度，电解液粘 度、气泡大小、工作压力和电解池构造等因素有关。增加电解液的循环速度和工作压力都会削减含气度； 增加电流密度或工作时候的温度上升都会使含气度增加。在实际状况下，电解液中的气泡是不行避开的，所以电解液的电阻会比无气泡时大得多。当含气度到达 35%时，电解液的电阻是无气泡时的 2 倍。 降低工作电压有利于削减电能消耗，为此应实行有效措施来降低氢、氧超电位和电阻电压降。一般状况下，在电流较小时，前者是重要的因素；而在电流较大时，后者将成为主要因素。 电解槽在高工作所承受的压力下运行时，电解液含气度降低，从而使电解液电

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